JP2007524992A - Method for forming a dual metal gate device - Google Patents

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Abstract

異種金属により形成されるデュアルメタルゲートを備えるMOSトランジスタ(10)を形成する方法を提供する。HfOのようなゲート誘電体(34)を半導体基板(31)の上に堆積させる。次に、犠牲層(35)をゲート誘電体(34)を覆うように堆積させる。犠牲層(35)をパターニングして、基板(31)の第1領域(32)(例えばpMOS)の上のゲート誘電体(34)が露出し、かつ基板(31)の第2領域(33)(例えばnMOS)の上のゲート誘電体(34)が犠牲層(35)によって保護されたままになるようにする。第1ゲート導体材料(51)を残りの犠牲領域(35)の上に、かつ露出したゲート誘電体(34)の上に堆積させる。基板(31)の第2領域(33)の上の第1ゲート導体材料(51)がエッチングにより全て除去されるように第1ゲート導体材料(51)をパターニングする。第1ゲート導体材料(51)を取り除く際に、第2領域(33)上の犠牲層(35)は、下層の誘電体材料(34)にダメージが加わるのを防止するように機能することができる。A method for forming a MOS transistor (10) having a dual metal gate formed of dissimilar metals is provided. A gate dielectric (34) such as HfO 2 is deposited on the semiconductor substrate (31). A sacrificial layer (35) is then deposited over the gate dielectric (34). The sacrificial layer (35) is patterned to expose the gate dielectric (34) over the first region (32) (eg, pMOS) of the substrate (31) and the second region (33) of the substrate (31). Ensure that the gate dielectric (34) over (eg nMOS) remains protected by the sacrificial layer (35). A first gate conductor material (51) is deposited over the remaining sacrificial region (35) and over the exposed gate dielectric (34). The first gate conductor material (51) is patterned so that the first gate conductor material (51) on the second region (33) of the substrate (31) is completely removed by etching. When removing the first gate conductor material (51), the sacrificial layer (35) on the second region (33) functions to prevent damage to the underlying dielectric material (34). it can.

Description

本発明は概して半導体デバイスの設計及び形成に関し、特にデュアルメタルゲートを有し、デュアルメタルゲートの形成をゲート下の誘電体材料へのダメージが緩和されるように行なうことができる金属酸化物半導体(MOS)デバイスの設計及び形成に関する。   The present invention relates generally to semiconductor device design and formation, and more particularly to metal oxide semiconductors having dual metal gates that can be formed such that damage to the dielectric material under the gates is mitigated. MOS) device design and formation.

半導体デバイス技術は、サブミクロンパターンサイズの領域に向かって高性能化し続けざるを得ない。パターンサイズが小さくなる結果として、長チャネルデバイスに2次効果しかもたらすことができなかったことにより一度は無視されたデバイス設計及び形成の局面が今では重要になっており、かつ従来のデバイス設計及び形成技術に加える非常に多くの変更を有効にした。例えば、従来のMOSトランジスタのチャネル長及びゲート酸化膜厚の縮小を過度に行なうと、ポリシリコンゲートの空乏化、ゲート抵抗の上昇、ゲートトンネル電流の増大、及びドーパント(すなわちボロン)のデバイスチャネル領域への突き抜けの問題を悪化させる。特に、これまでポリシリコンをゲート導体として、かつ二酸化シリコンをゲート誘電体として使用してきたCMOS技術では現在、デュアルメタルゲート導体及び金属酸化物(MeOx)ゲート誘電体の使用が検討されている。   Semiconductor device technology must continue to improve in the submicron pattern size region. As a result of the reduced pattern size, device design and formation aspects that were once ignored due to the fact that only a secondary effect could be produced on long channel devices are now important, and conventional device designs and It has enabled a great many changes to the forming technology. For example, excessive reduction in channel length and gate oxide thickness of conventional MOS transistors can result in depletion of polysilicon gate, increase in gate resistance, increase in gate tunnel current, and device channel region of dopant (ie boron). Exacerbates the problem of punching through. In particular, the use of dual metal gate conductors and metal oxide (MeOx) gate dielectrics is currently being investigated in CMOS technology, which has previously used polysilicon as the gate conductor and silicon dioxide as the gate dielectric.

MeOxゲート誘電体材料は、これらの材料がかなり高い誘電率(K)を示し、厚いゲート誘電体層を堆積誘電体層の物理特性及び電気特性に悪影響を及ぼすことなく堆積させることができるので有利である。例えば、薄い酸化膜は大きな電界によってストレスが加えられると、破壊をもたらすブレークダウンを起こし易い。SiOは特に、約12mv/cmの最大電界に耐えることができる。多くの遷移金属酸化物がこの用途におけるSiOの代替物として適切であることが判明しており、このような遷移金属酸化物としては、例えばジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ランタン、ストロンチウム、チタン、及びこれらの金属の組合せの酸化物が挙げられる。 MeOx gate dielectric materials are advantageous because these materials exhibit fairly high dielectric constants (K) and thick gate dielectric layers can be deposited without adversely affecting the physical and electrical properties of the deposited dielectric layer. It is. For example, a thin oxide film is liable to break down when it is stressed by a large electric field. SiO 2 can particularly withstand a maximum electric field of about 12 mv / cm. A number of transition metal oxides have been found to be suitable as an alternative to SiO 2 in this application, such as zirconium, hafnium, aluminum, lanthanum, strontium, titanium, and The oxide of the combination of these metals is mentioned.

ゲート誘電体の高性能化に加えて、メタルゲートをポリシリコンの代わりに使用する手法が大きな注目を集めている。メタルゲートはゲートの空乏化及びボロンの突き抜け現象を防止するだけでなく、非常に低いシート抵抗を実現する。一つの手法では、モノリシックゲート構造をCMOS設計に取り入れることができる。この手法では一貫して、シリコンの価電子帯と伝導帯との間のほぼ中央に仕事関数を有する金属を用いている。しかしながら、金属の仕事関数をこのような値にすると、結果として得られるデバイスのしきい値電圧Vが高くなり過ぎてチャネルドーピングを容易に制御する、ということができない。Vを下げるためのチャネルにカウンター(打ち返し)ドーピングを行なうと他の問題、例えば短チャネル特性及びターンオフ特性の悪化が生じる。従って、高密度デュアルメタルゲートの構成において一つの解決方法をCMOS設計に適用することが提案されている。MeOxゲート誘電体及び高密度デュアルメタルゲート導体に関して予測されるCMOSトランジスタ設計について以下に記載する。 In addition to high performance gate dielectrics, techniques that use metal gates instead of polysilicon are attracting considerable attention. The metal gate not only prevents gate depletion and boron penetration, but also realizes a very low sheet resistance. In one approach, a monolithic gate structure can be incorporated into a CMOS design. This technique consistently uses a metal having a work function approximately in the middle between the valence band and the conduction band of silicon. However, when the metal work function is such a value, the resulting device threshold voltage V T becomes too high to easily control channel doping. When counter doping is performed on the channel for lowering V T , other problems such as deterioration of short channel characteristics and turn-off characteristics occur. Therefore, it has been proposed to apply one solution to CMOS design in a high density dual metal gate configuration. The expected CMOS transistor design for MeOx gate dielectric and high density dual metal gate conductor is described below.

図1は、MeOxゲート誘電体11及び高密度デュアルメタルゲート導体12を組み込んだ先行技術によるCMOSトランジスタ10の簡易断面図である。CMOSトランジスタ自体は、通常nウェル(図示せず)に形成されるpMOSトランジスタ101及びpウェル(図示せず)に形成されるnMOSトランジスタ102を含む。デバイス設計者は、CMOSトランジスタ10がトレンチアイソレーション(図1には示さず)を基板に含んでpMOSトランジスタ101をnMOSトランジスタ102から分離するということをアプリオリにわかっている(論理や認識に先立って絶対的かつ自明なものとしてわかっている)。ゲート誘電体11は、pMOSトランジスタ101及びnMOSトランジスタ102の両方を覆うように半導体基板表面の上に堆積させる。上に提案したように、CMOSトランジスタ10はまた、デュアルメタルゲート導体12を第1メタルゲート導体121及び第2メタルゲート導体122の形で組み込む。第1メタルゲート導体121はpMOS領域101を覆うようにゲート誘電体11の上に堆積させて、形成する。第2メタルゲート導体122は第1メタルゲート導体121を覆うように堆積させ、かつnMOS領域102を覆うようにゲート誘電体11の上に堆積させる。   FIG. 1 is a simplified cross-sectional view of a prior art CMOS transistor 10 incorporating a MeOx gate dielectric 11 and a high density dual metal gate conductor 12. The CMOS transistor itself usually includes a pMOS transistor 101 formed in an n-well (not shown) and an nMOS transistor 102 formed in a p-well (not shown). The device designer knows a priori that the CMOS transistor 10 includes trench isolation (not shown in FIG. 1) in the substrate to isolate the pMOS transistor 101 from the nMOS transistor 102 (prior to logic and recognition). Known as absolute and obvious). The gate dielectric 11 is deposited on the surface of the semiconductor substrate so as to cover both the pMOS transistor 101 and the nMOS transistor 102. As suggested above, the CMOS transistor 10 also incorporates a dual metal gate conductor 12 in the form of a first metal gate conductor 121 and a second metal gate conductor 122. The first metal gate conductor 121 is formed by depositing on the gate dielectric 11 so as to cover the pMOS region 101. A second metal gate conductor 122 is deposited over the first metal gate conductor 121 and over the gate dielectric 11 so as to cover the nMOS region 102.

上に示したように、かつ今から説明する理由により、デュアルメタルゲート導体121及び122は異種金属材料により形成される。詳細には、第1メタル導体121(pMOS領域101の上に形成される)の仕事関数がシリコンの価電子帯に近く、かつ第2メタル導体122(nMOS領域102の上に形成される)の仕事関数がシリコンの伝導帯に近い場合、好ましい性能が得られることが判明している。実際、ゲート長が50ナノメートル未満のバルクCMOSに関して、それぞれの仕事関数をシリコンのバンド端(価電子帯及び伝導帯)の約0.2eVの内側に有する2つの異なるゲート金属があることがかなり良く知られている。従って、メタルゲート導体121の候補として、レニウム、イリジウム、白金、モリブデン、ルテニウム、及びルテニウム酸化物が挙げられ、メタルゲート導体122の候補として、チタン、バナジウム、ジルコニウム、タンタル、アルミニウム、ニオビウム、及び窒化タンタルが挙げられる。しかしながら、上に列挙した物質が全てを網羅していると考えるべきではなく、他の金属、合金、または化合物がデュアルメタルゲート構造のゲート導体として使用するために適する、または適することが分かっている。   As indicated above and for reasons that will now be described, the dual metal gate conductors 121 and 122 are formed of dissimilar metal materials. Specifically, the work function of the first metal conductor 121 (formed on the pMOS region 101) is close to the valence band of silicon, and the second metal conductor 122 (formed on the nMOS region 102) It has been found that favorable performance is obtained when the work function is close to the conduction band of silicon. In fact, for bulk CMOS with a gate length of less than 50 nanometers, it is quite likely that there are two different gate metals with their work functions within about 0.2 eV of the silicon band edge (valence band and conduction band). Well known. Thus, candidates for metal gate conductor 121 include rhenium, iridium, platinum, molybdenum, ruthenium, and ruthenium oxide, and candidates for metal gate conductor 122 include titanium, vanadium, zirconium, tantalum, aluminum, niobium, and nitride. Tantalum is mentioned. However, the materials listed above should not be considered exhaustive, and other metals, alloys, or compounds are known or suitable for use as gate conductors in dual metal gate structures. .

通常、CMOSトランジスタ10のゲート構造を形成するための既存のプロセスは図2に概略を示すように進行する。基板表面上にMeOxゲート誘電体11を堆積させた後、第1メタルゲート導体121を、好適には化学気相成長(CVD)法により堆積させるが、物理気相成長(PVD)または原子層堆積(ALD)のような他の堆積法も利用することができる。次に、第1金属材料をフォトリソグラフィ法によりパターニングしてpMOS領域101上の第1金属材料をフォトレジスト21によって保護する。次に図2に示すように、金属除去エッチングを行ってnMOS領域102上の覆う第1金属材料を誘電体層11の位置まで取り除く。一の実施形態では、金属除去は、硫酸、過酸化水素、及び水から成る溶液の中でウェットエッチングすることにより行なうことができる。次に第2金属材料を堆積させると、図1に具体的に示す構造が得られる。   Typically, the existing process for forming the gate structure of the CMOS transistor 10 proceeds as outlined in FIG. After depositing the MeOx gate dielectric 11 on the substrate surface, the first metal gate conductor 121 is deposited, preferably by chemical vapor deposition (CVD), although physical vapor deposition (PVD) or atomic layer deposition. Other deposition methods such as (ALD) can also be utilized. Next, the first metal material is patterned by photolithography to protect the first metal material on the pMOS region 101 with the photoresist 21. Next, as shown in FIG. 2, metal removal etching is performed to remove the first metal material covering the nMOS region 102 to the position of the dielectric layer 11. In one embodiment, metal removal can be performed by wet etching in a solution consisting of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water. Next, when a second metal material is deposited, the structure specifically shown in FIG. 1 is obtained.

上のプロセスによってnMOS領域102上の領域のゲート誘電体11にダメージが加わる恐れがある。ゲート誘電体11のダメージに弱い領域は図2の破線領域111で示す。この問題の原因は図2を参照すれば理解することができる。まず、nMOS領域102を覆う領域のゲート誘電体11は2つの金属堆積工程に送られる。すなわち、最初に第1金属材料を堆積させ、次に第2金属材料を堆積させる。しかしながら恐らくは更に有害な形で、nMOS部分のゲート誘電体11が、nMOS領域上の第1金属材料の選択エッチングに適用される金属除去エッチングプロセスに晒される。nMOS領域102上の第1金属121を除去すると、ほとんど間違いなく露出ゲート誘電体にダメージが加わる。   The above process may damage the gate dielectric 11 in the region above the nMOS region 102. A region susceptible to damage to the gate dielectric 11 is indicated by a broken line region 111 in FIG. The cause of this problem can be understood with reference to FIG. First, the gate dielectric 11 in the region covering the nMOS region 102 is sent to two metal deposition steps. That is, the first metal material is first deposited and then the second metal material is deposited. However, perhaps more detrimentally, the gate dielectric 11 of the nMOS portion is exposed to a metal removal etching process applied to the selective etching of the first metal material on the nMOS region. Removing the first metal 121 on the nMOS region 102 almost certainly damages the exposed gate dielectric.

上記プロセスは、或る強固なMeOx材料(例えばHfO)をゲート誘電体材料として使用する場合に適用が可能であることが示されてきたが、他のゲート誘電体は上述のデュアルメタル集積化プロセスを実施するとダメージを受けると予想することができる。従って、必要なのは、MeOx誘電体層に損傷を与えることなくデュアルメタルゲートデバイスを形成する方法である。 While the above process has been shown to be applicable when using certain strong MeOx materials (eg, HfO 2 ) as the gate dielectric material, other gate dielectrics have been described above for dual metal integration. You can expect to take damage if you carry out the process. Therefore, what is needed is a method of forming a dual metal gate device without damaging the MeOx dielectric layer.

以下において一層明瞭になるように、本発明は一の態様では、例えばCMOSトランジスタのような半導体デバイスを形成する方法であり、この半導体デバイスは、少なくとも2つのそれぞれ異なる金属材料により形成される高密度ゲート導体を有する。今まで、MeOxゲート誘電体を高密度にCMOSデバイスに形成するためには、MeOx層で停止する金属除去エッチングが必要であり、このエッチングによって、第2ゲート導体材料を堆積させるために第1ゲート導体材料の一部を除去することができる。第1ゲート導体材料を除去するエッチングによって下層のMeOxにダメージが加わることが分かっている。ここに記載する形成プロセスによって下層のゲート誘電体に加わる可能性のあるダメージを未然に防止するが、これはゲート誘電体を犠牲層(例えばSiO)で保護することにより行なわれる。 As will become more apparent below, the present invention, in one aspect, is a method of forming a semiconductor device, such as a CMOS transistor, wherein the semiconductor device is formed of a high density formed of at least two different metal materials. Has a gate conductor. To date, in order to form MeOx gate dielectrics in CMOS devices with high density, a metal removal etch that stops at the MeOx layer is required, and this etch causes the first gate to deposit a second gate conductor material. Part of the conductor material can be removed. It has been found that etching to remove the first gate conductor material damages the underlying MeOx. The formation process described herein prevents damage that may be applied to the underlying gate dielectric, by protecting the gate dielectric with a sacrificial layer (eg, SiO 2 ).

デュアルメタルゲートデバイスを形成するための本方法については、この技術分野の当業者が、直ぐ下に簡単な形で示し、かつここに添付する図を参照することにより、より一層深く理解することができ、更に本方法の多くの特徴、利点、及び機能が当業者に明らかになるが、これらの図の幾つかの図においては、同じ参照番号(あるとすれば)は同じ、または同様な構成要素を指す。   The present method for forming a dual metal gate device will be more fully understood by those skilled in the art by referring to the figures shown in simplified form immediately below and attached hereto. Although many features, advantages and functions of the method will be apparent to those skilled in the art, the same reference number (if any) is the same or similar in several of these figures. Points to the element.

当業者であれば、図の構成要素は説明を簡単かつ明瞭にするために示され、必ずしも寸法通りには描かれていない(記述において特に断らない限り)。例えば、図の幾つかの構成要素の寸法を他の構成要素に対して誇張して描いて本発明の実施形態に対する理解を容易にし、かつ深めることができる。   For those skilled in the art, the components of the figures are shown for simplicity and clarity of illustration and are not necessarily drawn to scale (unless otherwise noted in the description). For example, the dimensions of some components in the figure can be exaggerated relative to other components to facilitate and deepen understanding of embodiments of the present invention.

デュアルメタルゲートデバイスを形成するための本方法を完全に理解するために、添付の請求項を含む詳細な記述を添付の図と関連付けながら参照する。
以下において一層明瞭になるように、本発明は一の態様では、例えばCMOSトランジスタのような半導体デバイスを形成する方法であり、この半導体デバイスは、少なくとも2つのそれぞれ異なる金属材料により形成される高密度ゲート導体を有する。今まで、MeOxゲート誘電体を高密度にCMOSデバイスに形成するためには、MeOx層で停止する金属除去エッチングが必要であり、このエッチングによって、第2ゲート導体材料を堆積させるために第1ゲート導体材料の一部を除去することができる。第1ゲート導体材料を除去するエッチングによって下層のMeOxにダメージが加わることが分かっている。ここに記載する形成プロセスによって下層のゲート誘電体に加わる可能性のあるダメージを未然に防止するが、これはゲート誘電体を犠牲層(例えばSiO)で保護することにより行なわれる。
For a full understanding of the present method for forming a dual metal gate device, reference is made to the detailed description, including the appended claims, in conjunction with the accompanying figures.
As will become more apparent below, the present invention, in one aspect, is a method of forming a semiconductor device, such as a CMOS transistor, wherein the semiconductor device is formed of a high density formed of at least two different metal materials. Has a gate conductor. To date, in order to form MeOx gate dielectrics in CMOS devices with high density, a metal removal etch that stops at the MeOx layer is required, and this etch causes the first gate to deposit a second gate conductor material. Part of the conductor material can be removed. It has been found that etching to remove the first gate conductor material damages the underlying MeOx. The formation process described herein prevents damage that may be applied to the underlying gate dielectric, by protecting the gate dielectric with a sacrificial layer (eg, SiO 2 ).

本発明を理解するためには図3〜図6を分析すると便利であり、これらの図はいずれも、デュアルメタルゲートCMOSトランジスタの形成を模式的に示すプロセスフローの核心となる局面を構成する。しかしながらここで、本明細書に記載する本発明に関して、CMOSデバイスの形成に発明の適用可能性が限定されるのではないことを理解されたい。   To understand the present invention, it is convenient to analyze FIGS. 3-6, all of which constitute a core aspect of the process flow that schematically illustrates the formation of a dual metal gate CMOS transistor. However, it should be understood here that, with respect to the invention described herein, the applicability of the invention is not limited to the formation of CMOS devices.

次に図3に注目すると、従来の方法に従って半導体基板31が設けられる。基板31にはpMOSトランジスタ32及びnMOSトランジスタ33を形成することができる。能動素子領域を基板31に形成する方法はこの技術分野の当業者には公知であるので、図3に詳細は示さない。一般的に基板31は低不純物濃度n型またはp型単結晶シリコンを構成する、と説明するだけで十分である。基板に不純物を導入した後、pMOSトランジスタ32を収容するためにnウェル(図示せず)を基板31に形成し、そしてnMOSトランジスタ33を収容するためにpウェル(図示せず)を形成する。普通、ここに提案するようなツインウェル構造に関連する説明を行なうと、nウェルは、pMOSトランジスタ32を形成することになる基板31の領域に注入を選択的に行なうことによって形成し、そしてpウェルは、nMOSトランジスタ33を形成することになる基板31の領域に注入を選択的に行なうことによって形成する。一の実施形態では、nウェルはそれ自体を、p型導電性を有するタブ(tub:図示せず)の内部に閉じ込めることができる。別の実施形態では、基板31は低不純物濃度エピタキシャル層を含むことができ、このエピタキシャル層は高不純物濃度バルクシリコンを覆うように形成される。すなわち、基板31は実際にはPバルクシリコンに形成されるPエピタキシャル層とすることができる。公知のように、n型導電領域はリンまたは砒素の注入により形成することができ、p型導電領域はボロンまたはアンチモンの注入により形成することができる。実際には、デバイスのpMOS領域及びnMOS領域は絶縁構造(図示せず)によって分離される。種々の絶縁方法が知られており、この方法にはLOCOS分離、シャロートレンチアイソレーション、ディープトレンチアイソレーションなどが含まれる。絶縁分離方法に関する図及び記載はここでは改めて示すものでもないと考えられるので、説明を明瞭かつ簡単にするために省略している。更に、シリコンオンインシュレータ(SOI)構造をCMOSデバイスの形成に用いることもできるので、本発明をSOI技術に同じように適用することができる。 Turning now to FIG. 3, a semiconductor substrate 31 is provided according to a conventional method. A pMOS transistor 32 and an nMOS transistor 33 can be formed on the substrate 31. The method of forming the active device region on the substrate 31 is well known to those skilled in the art and is not shown in detail in FIG. In general, it is sufficient to describe that the substrate 31 comprises low impurity concentration n-type or p-type single crystal silicon. After introducing impurities into the substrate, an n-well (not shown) is formed in the substrate 31 to accommodate the pMOS transistor 32, and a p-well (not shown) is formed to accommodate the nMOS transistor 33. In general, the description associated with the twin well structure as proposed here is that the n-well is formed by selectively implanting the region of the substrate 31 where the pMOS transistor 32 is to be formed, and p The well is formed by selectively implanting the region of the substrate 31 where the nMOS transistor 33 is to be formed. In one embodiment, the n-well can confine itself within a tub having a p-type conductivity (tub: not shown). In another embodiment, the substrate 31 can include a low impurity concentration epitaxial layer, which is formed to cover the high impurity concentration bulk silicon. That is, the substrate 31 can actually be a P epitaxial layer formed in P + bulk silicon. As is well known, the n-type conductive region can be formed by implanting phosphorus or arsenic, and the p-type conductive region can be formed by implanting boron or antimony. In practice, the pMOS and nMOS regions of the device are separated by an insulating structure (not shown). Various isolation methods are known and include LOCOS isolation, shallow trench isolation, deep trench isolation, and the like. Since the drawings and descriptions relating to the insulation isolation method are not considered to be shown again here, they are omitted for the sake of clarity and simplicity. Furthermore, since the silicon-on-insulator (SOI) structure can also be used to form CMOS devices, the present invention can be applied to SOI technology as well.

図3を続いて参照すると、ゲート誘電体材料34が基板31の表面311の上に形成されることが分かる。好適な実施形態では、誘電体材料34はMeOxである。好適な実施形態では、MeOx34はHfOとすることができる。しかしながら、他の適切な金属酸化物として、ジルコニウム、ハフニウム、アルミニウム、ランタン、ストロンチウム、チタン、シリコン、及びこれらの材料の組合せの酸化物または酸窒化物が挙げられる。MeOxゲート誘電体の利点は上に列挙してきた。次に、犠牲層35を、一の実施形態では、50〜500オングストロームの厚さに、ゲート誘電体層34を覆うように形成する。犠牲層35は、公知の方法により堆積させるSiOとすることができる。しかしながら、有機ポリマー、フォトレジスト、Siなどのような他の材料も使用することができる。層35が重要であることが以下に明らかになる。 With continued reference to FIG. 3, it can be seen that the gate dielectric material 34 is formed on the surface 311 of the substrate 31. In a preferred embodiment, the dielectric material 34 is MeOx. In a preferred embodiment, MeOx34 may be a HfO 2. However, other suitable metal oxides include oxides or oxynitrides of zirconium, hafnium, aluminum, lanthanum, strontium, titanium, silicon, and combinations of these materials. The advantages of the MeOx gate dielectric have been listed above. Next, a sacrificial layer 35 is formed to cover the gate dielectric layer 34 to a thickness of 50 to 500 Angstroms in one embodiment. The sacrificial layer 35 can be SiO 2 deposited by a known method. However, it is possible to organic polymers, photoresist, although other materials such as Si 3 N 4 used. It will become clear below that the layer 35 is important.

この時点で、フォトレジスト層36を犠牲層35の上に形成し、そして犠牲層35の内のpMOS領域の上の部分351が露出し、そして犠牲層35の内のnMOS領域の上の部分352がフォトレジスト36によって保護されるようにパターニングする。図3を参照されたし。好適な実施形態では、ウェット化学エッチング工程において、犠牲酸化物の内のpMOS領域の上の誘電体材料を覆う部分351を除去する。詳細には、犠牲酸化物層35がSiOの場合、除去は、下層のMeOx層34を侵食しないHF溶液を使用して行なうことができる。このプロセス工程を実施した結果を図4に示す。ここで、誘電体材料34上の犠牲層35の残留部分352がnMOS領域を覆うことに注目されたい。 At this point, a photoresist layer 36 is formed on the sacrificial layer 35 and a portion 351 of the sacrificial layer 35 above the pMOS region is exposed and a portion 352 of the sacrificial layer 35 above the nMOS region. Is patterned so as to be protected by the photoresist 36. Please refer to FIG. In a preferred embodiment, a wet chemical etch process removes the portion 351 covering the dielectric material above the pMOS region of the sacrificial oxide. Specifically, when the sacrificial oxide layer 35 is SiO 2 , the removal can be performed using an HF solution that does not attack the underlying MeOx layer 34. The results of performing this process step are shown in FIG. Note that the remaining portion 352 of the sacrificial layer 35 on the dielectric material 34 covers the nMOS region.

残留犠牲層352が正規の位置に形成されると、第1ゲート導体材料51を、pMOS領域を覆う誘電体材料34の上、及び残留犠牲層352の上に堆積させる。一の実施形態では、第1ゲート導体材料51は、例えばIrとすることができ、かつ50〜500オングストロームの厚さを有することができる。第1メタルゲート導体材料51の他の候補としては、レニウム、白金、モリブデン、ルテニウム、及びルテニウム酸化物が挙げられる。プロセスのこの段階で得られる結果は、図5に示す初期ゲート構造である。   When the residual sacrificial layer 352 is formed in the proper position, the first gate conductor material 51 is deposited on the dielectric material 34 covering the pMOS region and on the residual sacrificial layer 352. In one embodiment, the first gate conductor material 51 can be Ir, for example, and can have a thickness of 50-500 Angstroms. Other candidates for the first metal gate conductor material 51 include rhenium, platinum, molybdenum, ruthenium, and ruthenium oxide. The result obtained at this stage of the process is the initial gate structure shown in FIG.

次のプロセス工程では、第1ゲート導体材料51を、フォトレジスト61を使用してパターニングする。すなわち、フォトレジスト層61は、第1ゲート導体材料の内のpMOS領域の上に位置する部分を覆うように形成される。次に、第1ゲート導体51の内、デバイスのnMOS領域の上の露出部分に対して金属除去工程を実施して露出部分を犠牲層の位置まで、恐らくは犠牲層にまで食い込む形で除去する。ゲート導体の除去は、ガスを使用するプラズマドライエッチングにより行なうことが好ましい。先行技術では、プラズマエッチングによって下層のMeOx層が必ずアタックされる。図2を参照されたし。しかしながら、本発明に関しては、犠牲層352によってこのような有害な効果を排除することができ、かつゲート誘電体を劣化させることなく露出ゲート導体材料を完全に取り除くことができる。この時点で得られる結果を図6に示す。次に残留犠牲層352を適切なウェット化学エッチングにより全て除去し、そしてレジスト61を除去する。   In the next process step, the first gate conductor material 51 is patterned using the photoresist 61. That is, the photoresist layer 61 is formed so as to cover a portion of the first gate conductor material located on the pMOS region. Next, a metal removal step is performed on the exposed portion of the first gate conductor 51 above the nMOS region of the device to remove the exposed portion to the position of the sacrificial layer, possibly to the sacrificial layer. The removal of the gate conductor is preferably performed by plasma dry etching using a gas. In the prior art, the lower MeOx layer is always attacked by plasma etching. Please refer to FIG. However, in the context of the present invention, the sacrificial layer 352 can eliminate such detrimental effects and completely remove the exposed gate conductor material without degrading the gate dielectric. The results obtained at this point are shown in FIG. Next, all of the remaining sacrificial layer 352 is removed by appropriate wet chemical etching, and the resist 61 is removed.

図7において、第2ゲート導体材料71を、(i)誘電体34の上、かつpMOS領域32の上に位置する第1ゲート導体材料51を覆い、かつ(ii)nMOS領域33の上の誘電体材料34を覆うように堆積させる。第2ゲート導体材料71はTaSiNとすることができ、かつ50〜500オングストロームの厚さを有することもできる。第2ゲート導体材料71の他の候補としては、チタン、バナジウム、ジルコニウム、タンタル、アルミニウム、ニオビウム、及び窒化タンタルが挙げられる。その結果、ゲート誘電体の完全性を維持する形成プロセスによりもたらされる非常に優れた性能特性を有する高密度デュアルメタルゲート(MOS)デバイスが得られる。   In FIG. 7, the second gate conductor material 71 covers (i) the first gate conductor material 51 located on the dielectric 34 and on the pMOS region 32, and (ii) the dielectric on the nMOS region 33. The body material 34 is deposited so as to cover it. The second gate conductor material 71 can be TaSiN and can also have a thickness of 50-500 Angstroms. Other candidates for the second gate conductor material 71 include titanium, vanadium, zirconium, tantalum, aluminum, niobium, and tantalum nitride. The result is a high density dual metal gate (MOS) device with very good performance characteristics provided by a formation process that maintains the integrity of the gate dielectric.

従って、今まで、高密度デュアルメタルゲートCMOSトランジスタを形成するためのプロセスによって、ゲート誘電体材料にダメージが加えられる機会が生じると考えられてきた。先行技術による一の実施形態では、ダメージは主として、nMOSトランジスタのゲート誘電体を覆う第1ゲート導体を除去するために使用する金属エッチングプロセスに選択性が無い結果、加えられることになる。特に、メタルゲート導体材料を除去するために一般的に使用されるガスプラズマエッチング工程によって、下層のMeOxゲート誘電体も直接アタックされる。金属除去工程を実施するために、ゲート誘電体材料のこの部分を覆う犠牲層を挟む形で設ける手法は、単純で分かり易い効果的な対策となる。ゲート誘電体は、犠牲層の除去に使用するウェット化学エッチング(例えばHF溶液中で)による侵食に対して容易に耐える。   Thus, until now, it has been believed that the process for forming a high density dual metal gate CMOS transistor provides an opportunity for damage to the gate dielectric material. In one embodiment according to the prior art, damage will be primarily caused by the lack of selectivity in the metal etch process used to remove the first gate conductor covering the gate dielectric of the nMOS transistor. In particular, the underlying MeOx gate dielectric is also directly attacked by a gas plasma etch process commonly used to remove metal gate conductor material. The technique of providing a sacrificial layer covering this portion of the gate dielectric material to perform the metal removal step is a simple and easy to understand effective measure. The gate dielectric is easily resistant to erosion by wet chemical etching (eg, in HF solution) used to remove the sacrificial layer.

ここで、本発明について本明細書では、第1ゲート導体がまずCMOSトランジスタのpMOS領域の上に形成され、続いて第2ゲート導体がnMOS領域の上に形成される特定の実施形態を参照しながら記載してきた。別の実施形態では、第1ゲート導体はトランジスタのnMOS領域の上に形成することができる。この場合、nMOS特性に一層適合する金属(例えばTaSiN)をまず堆積させる。上に記載した形成プロセスに正確に類似する方法で、第2ゲート導体を続いて、nMOSデバイスを覆う第1ゲート導体の上、及びpMOSデバイスを覆うゲート誘電体の上に形成する。本例の第2金属導体も、例えばIrとすることができる。ここでの重要な点は、本発明が高密度デュアルメタルゲート導体を形成するために、犠牲層を設けてゲート誘電体を保護する別のプロセスシーケンスを含むことである。しかしながら、ゲート導体を堆積させるシーケンスに関係なく、該当するゲート導体材料を上に特定した方法により、導体を形成するための下地となるデバイス領域の導電型に一致させる必要があることが重要な点である。   Reference is now made herein to the specific embodiment in which the first gate conductor is first formed over the pMOS region of the CMOS transistor and then the second gate conductor is formed over the nMOS region. While have been described. In another embodiment, the first gate conductor can be formed over the nMOS region of the transistor. In this case, a metal (for example, TaSiN) that is more suitable for nMOS characteristics is first deposited. A second gate conductor is subsequently formed over the first gate conductor overlying the nMOS device and over the gate dielectric overlying the pMOS device in a manner that is exactly similar to the formation process described above. The second metal conductor of this example can also be Ir, for example. The important point here is that the present invention includes another process sequence in which a sacrificial layer is provided to protect the gate dielectric in order to form a high density dual metal gate conductor. However, regardless of the sequence in which the gate conductor is deposited, it is important that the appropriate gate conductor material must be matched to the conductivity type of the underlying device region for forming the conductor by the method specified above. It is.

更に、金属除去のための多くのドライまたはウェットエッチングまたはプロセスを使用して金属層をデュアルメタルゲートの形成過程において除去することができる。同様に、本発明ではSiOを犠牲層として使用することを考えているが、有機ポリマー、フォトレジスト、Siなどを含むがこれらの材料に限定されない他の材料を犠牲層35として使用すれば良好な結果が得られる。この点に関して、犠牲層自体の除去は、犠牲層35の除去に使用する工程によって下層の誘電体に検出できるほどの劣化が生じないとすると、ドライエッチングまたはウェットエッチングまたは別の利用可能な除去プロセスによって行なうことができる。 In addition, many dry or wet etches or processes for metal removal can be used to remove the metal layer during the dual metal gate formation process. Similarly, although the present invention contemplates using SiO 2 as the sacrificial layer, other materials may be used as the sacrificial layer 35, including but not limited to organic polymers, photoresists, Si 3 N 4, etc. Good results will be obtained. In this regard, if the removal of the sacrificial layer itself is such that the process used to remove the sacrificial layer 35 does not cause appreciable degradation in the underlying dielectric, dry etching or wet etching or another available removal process. Can be done.

上の記載に従って形成されるデュアルメタルCMOSデバイスから得られる実験データを収集すると、ゲート容量及びゲートリーク電流のようなデバイス特性が本発明によって大きく改善されることが分かる。詳細には、特に−1.0〜+1.0ボルトのゲート電圧が印加されているときのゲート容量は、本発明の利点を用いることなく形成されるデュアルメタルゲートデバイスが示すゲート容量よりもかなり小さい。同様に、ゲートリーク電流が0〜2.0ボルトのゲート電圧範囲の大部分に渡ってほぼ2桁小さいことが判明した。   Collecting experimental data obtained from dual metal CMOS devices formed according to the above description, it can be seen that device characteristics such as gate capacitance and gate leakage current are greatly improved by the present invention. In particular, the gate capacitance, particularly when a gate voltage of -1.0 to +1.0 volts is applied, is significantly greater than the gate capacitance exhibited by dual metal gate devices formed without using the advantages of the present invention. small. Similarly, it has been found that the gate leakage current is approximately two orders of magnitude smaller over the majority of the gate voltage range of 0-2.0 volts.

更に、賢明な製造業者は、例えばnMOS領域の上の犠牲層の堆積及びそれに続く除去自体が、下層のゲート誘電体へのダメージをもたらし得るのではないかと疑念を抱くが、実験による分析によれば、犠牲層の除去によってゲート特性の劣化が全く生じることがないことが判明している。すなわち、MeOxゲート誘電体はウェット化学エッチング(例えばHF溶液中における)を使用する犠牲層の除去の影響を受けない。単一のメタルゲート導体をMeOxゲート誘電体の上に堆積させる構成であって、犠牲層を除去する中間工程のないごく単純な構成のプロセスに従って形成された基準デバイスと比較すると、本発明に従って形成されるデバイスは、ほぼ同等のゲート容量及びゲートリーク特性を有することが判明した。   In addition, sensible manufacturers suspect, for example, that the deposition of the sacrificial layer on the nMOS region and subsequent removal itself can result in damage to the underlying gate dielectric, but experimental analysis has shown that For example, it has been found that the gate characteristics are not degraded at all by removing the sacrificial layer. That is, the MeOx gate dielectric is not affected by sacrificial layer removal using wet chemical etching (eg, in HF solution). A configuration in which a single metal gate conductor is deposited over a MeOx gate dielectric, formed in accordance with the present invention as compared to a reference device formed according to a very simple configuration process with no intermediate steps to remove the sacrificial layer. It has been found that the resulting device has approximately the same gate capacitance and gate leakage characteristics.

従って、上の記述においては、本発明について、例示的な形で、かつ本発明を完全に理解できるような形で、特定の多くの実施形態に関連して示してきた。しかしながら、半導体不揮発性メモリデバイスの設計及び形成に関与するこの技術分野の当業者であれば、種々の変形及び変更を、特定の形で記載した実施形態に、本発明の技術範囲から逸脱しない範囲において加え得ることが理解できるであろう。従って、本発明は、添付の請求項の表現上の技術範囲に含まれる全ての主要事項のみならずこれらの主要事項の等価物を包含するものとして捉えられるべきである。例えば、本発明は本明細書において指定される特定の材料及び厚さに限定されるものとして解釈されるべきではない。同様に、この技術分野の当業者であれば、必須の一貫性が維持されると仮定すると、導電型(P型、N型)は普通、逆にすることができることが理解できる。従って、記述及び図は、制限的な意味ではなく、本発明の例示として正しく解釈され、その結果、記述及び図に対する全ての変形、または記述及び図の波生物が本発明の技術範囲に含まれるものであると理解される。   Thus, in the above description, the invention has been shown in connection with many specific embodiments in an illustrative manner and in a manner that provides a thorough understanding of the invention. However, one of ordinary skill in the art involved in the design and formation of semiconductor non-volatile memory devices will fall within the scope of the invention without departing from various modifications and changes to the specific embodiments described. It will be appreciated that can be added in Accordingly, the present invention should be construed as including not only all the main matters within the technical scope of the appended claims but also equivalents of these main matters. For example, the present invention should not be construed as limited to the particular materials and thicknesses specified herein. Similarly, those skilled in the art will understand that the conductivity types (P-type, N-type) can usually be reversed, assuming that the required consistency is maintained. Accordingly, the description and drawings are to be interpreted as illustrative rather than restrictive, and as a result, all modifications to the description and drawings, or wave forms of the description and drawings are within the scope of the invention. Is understood to be.

同様に、効果、利点、機能、及び動作上の問題、または他の技術的問題に対する解決法について、本明細書に提示したように本発明の特定の実施形態に関して列挙してきた。しかしながら、効果、利点、機能、及び問題解決法、及びこのような効果、利点、機能、及び問題解決法をもたらし、またはさらに顕著にし得る、或いは顕著にさせるすべての要素(群)または制限事項(群)が、明示的な形で、或いは黙示または禁反言によるかを問わず、いずれかの請求項または全ての請求項の必須の、必要な、または基本的な要素、或いは制限事項であると考えられる、または解釈されるべきではない。更に、本明細書で使用されるように、「comprises」、「comprising」という用語、または他のすべてのこれらの変形は包括的な意味で適用されるものであり、引用した一連の要素を備えるプロセス、方法、製品、または装置がこれらの引用要素のみを含むだけでなく、明らかには引用されていない、または列挙されていないがそのようなプロセス、方法、製品、または装置に固有の他の要素も含むことができる。   Similarly, effects, advantages, functions, and operational issues, or solutions to other technical problems, have been listed with respect to specific embodiments of the invention as presented herein. However, effects, benefits, functions, and problem-solving, and all elements (groups) or restrictions that result in, or can make, or become more prominent, such effects, benefits, functions, and problem-solving ( Group) is an essential, necessary, or essential element or limitation of any claim or all claims, whether in explicit form or implied or estoppel. Should not be considered or interpreted. Further, as used herein, the terms “comprises”, “comprising”, or all other variations thereof are applied in an inclusive sense and comprise the set of elements cited. A process, method, product, or apparatus not only includes these citation elements, but is clearly not cited or listed but is otherwise not specific to such a process, method, product, or apparatus. Elements can also be included.

先行技術によるMeOxゲート誘電体(11)及び高密度デュアルメタルゲート(121,122)導体を組み込んだCMOSトランジスタの簡易断面図。1 is a simplified cross-sectional view of a CMOS transistor incorporating a prior art MeOx gate dielectric (11) and high density dual metal gate (121, 122) conductors. 図1のデバイスの形成過程において行われる金属除去エッチング工程を図に表わしたものであり、ダメージが先行技術によるゲート誘電体に加わる様子を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a metal removal etching process performed in the process of forming the device of FIG. 1 and showing how damage is applied to a gate dielectric according to the prior art. 本発明による模式的なプロセスフローを構成する図であり、かつ犠牲層を使用してゲート誘電体へのダメージを回避することができる様子を示す断面図。FIG. 4 is a diagram showing a schematic process flow according to the present invention, and a cross-sectional view showing how damage to the gate dielectric can be avoided by using a sacrificial layer. 本発明による模式的なプロセスフローを構成する図であり、かつ犠牲層を使用してゲート誘電体へのダメージを回避することができる様子を示す断面図。FIG. 4 is a diagram showing a schematic process flow according to the present invention, and a cross-sectional view showing how damage to the gate dielectric can be avoided by using a sacrificial layer. 本発明による模式的なプロセスフローを構成する図であり、かつ犠牲層を使用してゲート誘電体へのダメージを回避することができる様子を示す断面図。FIG. 4 is a diagram showing a schematic process flow according to the present invention, and a cross-sectional view showing how damage to the gate dielectric can be avoided by using a sacrificial layer. 本発明による模式的なプロセスフローを構成する図であり、かつ犠牲層を使用してゲート誘電体へのダメージを回避することができる様子を示す断面図。FIG. 4 is a diagram showing a schematic process flow according to the present invention, and a cross-sectional view showing how damage to the gate dielectric can be avoided by using a sacrificial layer. 本発明による模式的なプロセスフローを構成する図であり、かつ犠牲層を使用してゲート誘電体へのダメージを回避することができる様子を示す断面図。FIG. 4 is a diagram showing a schematic process flow according to the present invention, and a cross-sectional view showing how damage to the gate dielectric can be avoided by using a sacrificial layer.

Claims (3)

表面を有し、かつ第1領域及び第2領域を有する半導体基板を設けるステップと、
第1領域を覆い、かつ第2領域を覆う表面の上にゲート誘電体を形成するステップと、
犠牲層をゲート誘電体の上に形成するステップと、
第1領域上のゲート誘電体が露出し、かつ残りの犠牲層が第2領域上のゲート誘電体を保護すべく前記犠牲層をパターニングするステップと、
第1ゲート導体材料を露出ゲート誘電体の上に、かつ残りの犠牲層の上に堆積させるステップと、
第1ゲート導体材料をパターニングして残りの犠牲層が露出するようにするステップと、
残りの犠牲層を除去して第2領域上のゲート誘電体を露出させるステップと、
第2ゲート導体材料をパターニング済みの第1ゲート導体材料を覆い、かつ第1ゲート導体材料をパターニングしたことにより露出したゲート誘電体を覆うように堆積させるステップとを備える、半導体デバイスの製造方法。
Providing a semiconductor substrate having a surface and having a first region and a second region;
Forming a gate dielectric on a surface covering the first region and covering the second region;
Forming a sacrificial layer over the gate dielectric;
Patterning the sacrificial layer to expose the gate dielectric on the first region and the remaining sacrificial layer protecting the gate dielectric on the second region;
Depositing a first gate conductor material on the exposed gate dielectric and on the remaining sacrificial layer;
Patterning the first gate conductor material to expose the remaining sacrificial layer;
Removing the remaining sacrificial layer to expose the gate dielectric on the second region;
Depositing a second gate conductor material over the patterned first gate conductor material and overlying the gate dielectric exposed by patterning the first gate conductor material.
表面を有し、かつ第1領域及び第2領域を有する半導体基板を設けるステップと、
第1領域を覆い、かつ第2領域を覆う表面の上にゲート誘電体を形成するステップと、
ゲート誘電体を保護して後続の金属エッチングの影響を受けないようにするステップと、
第1金属を第1領域上の露出したゲート誘電体の上に堆積させるステップと、
第2領域上の第1金属をエッチングして全て除去するステップとを備える、半導体デバイスの製造方法。
Providing a semiconductor substrate having a surface and having a first region and a second region;
Forming a gate dielectric on a surface covering the first region and covering the second region;
Protecting the gate dielectric so that it is not affected by subsequent metal etching;
Depositing a first metal over the exposed gate dielectric on the first region;
Etching the first metal on the second region to remove all of the first metal.
第1導電型の第1領域及び第2導電型の第2領域を有する半導体基板を設ける工程と、
誘電体材料を、第1領域を覆い、かつ第2領域を覆う基板の表面の上に形成する工程と、
犠牲層を形成して、第1領域上の誘電体材料が露出し、かつ第2領域上の誘電体材料が残りの犠牲層によって保護されるようにする工程と、
第1ゲート導体材料を露出誘電体材料の上に堆積させる工程と、
残りの犠牲層を除去して第2領域上のゲート誘電体(第1ゲート導体材料)を露出させる工程と、
第2ゲート導体材料を、第2領域を覆う露出したゲート誘電体(第1ゲート導体材料)の上に堆積させる工程とを備える方法によって製造された半導体デバイス。
Providing a semiconductor substrate having a first region of a first conductivity type and a second region of a second conductivity type;
Forming a dielectric material on the surface of the substrate covering the first region and covering the second region;
Forming a sacrificial layer such that the dielectric material on the first region is exposed and the dielectric material on the second region is protected by the remaining sacrificial layer;
Depositing a first gate conductor material over the exposed dielectric material;
Removing the remaining sacrificial layer to expose the gate dielectric (first gate conductor material) on the second region;
Depositing a second gate conductor material on the exposed gate dielectric (first gate conductor material) overlying the second region.
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